Diseño y validación de modelo de simulación mediante elementos finitos del comportamiento mecánico en piezas fabricadas por deposición de hilo fundido.

Resumen

Obtener prototipos a partir de las tecnologías de Prototipado Rápido (RP) es una etapa de suma importancia para el desarrollo de nuevos productos. En algunos casos estos prototipos presentan características mecánicas muy inferiores a las del producto final, lo que impide que los proyectistas utilicen el máximo del potencial que estas tecnologías proporcionan. En el presente trabajo se ha utilizado la tecnología de RP conocida como FDM (Fused Deposition Modeling). Esta tesis tiene como objetivo principal analizar la influencia de las estrategias de deposición del material de construcción en las propiedades mecánicas de piezas obtenidas mediante la fabricación FDM y, con base en esto, construir un modelo empleando software de análisis mediante elementos finitos que simule el comportamiento de las piezas fabricadas en la máquina, en función de las estrategias de fabricación que se han obtenido y predecir el funcionamiento del componente frente a las principales solicitudes de trabajo. Para la confección de las muestras utilizadas en los experimentos, se varió la orientación de la deposición de los filamentos constituyentes de las capas, con el fin de buscar diferencias entre las propiedades mecánicas direccionales de las piezas, teniendo en cuenta su fabricación. Posteriormente, fueron realizados una serie de ensayos mecánicos para verificar la rigidez final de las piezas obtenidas. Se plantean las distintas orientaciones de las capas de fabricación, partiendo del posicionado en el software de comunicación con la máquina, variando de este modo las orientaciones de los raster de hilo por capa y el número de capas de cada pieza en función de la cota Z que ocupa en la máquina. La predicción de propiedades inicialmente se realizó empleando la teoría clásica de los laminados (TCL) que nos permite para prever el comportamiento mecánico de las piezas en las diferentes orientaciones de deposición. Esta teoría clásica de laminados se complementa mediante la construcción de un modelo mediante elementos finitos (FEM). Los resultados obtenidos de los ensayos, muestran que las piezas conseguidas, son estructuralmente más rígidas de lo que se esperaba inicialmente. Después de haber explicado el comportamiento mediante la TLC y haber realizado el modelado mediante FEM, se observa que para modelos complejos de pieza es necesario acudir a otro tipo de análisis que permita aclarar las divergencias que se perciben entre estos modelos complejos y los ensayos realizados. Para ello se acude al modelado microestructural. Este modelado, basado en la repetición de un patrón geométrico y de condiciones de contorno, se muestra efectivo para definir el comportamiento de la pieza. Basándonos en este modelo y haciendo una extrapolación a la geometría macroscópica podemos establecer una aproximación teórica a la pauta real.